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    西門子穩定企業內部電網

    發布時間: 2019-05-28  點擊次數: 1069次

    如果一家工廠的內部發電廠發生故障,為了恢復電網的平衡,可切斷無關緊要的系統的電源。全新研制的西門子自動甩負系統,能夠以閃電般的速度做出反應,防止在這種情況下,出現電網不穩定現象。

    高音喇叭報警:故障即將發生。發電機軸承過熱,讓煉油廠的電網一秒之內損失了近萬千瓦的電能。電網電壓迅速下降,而且交流(AC)頻率會降到確??煽抗╇姷?0赫茲以下。如果加熱器、冷卻裝置等機械設備繼續運行,電網將徹底崩潰,從而導致停產、生產設備受損,相關成本可能在很短時間內飆升至數百萬歐元。

    雖然上文所述情景是虛構的,但其可能產生的影響是真實的。如果一家大型工廠內部發電廠及由其供電的電網發生故障,所導致的停工損失及相關經濟損失可能非常巨大。某些工藝過程(比如液化氣壓縮或鋼熔)不能中斷,因此,必須采取相應手段,防止公共電網對上述工藝過程的電力供應中斷。所以,許多能源密集型工業企業(比如煉油廠和鋼鐵廠)內部建有半自主電網,以消除電網供電中斷可能造成的影響。此外,這些企業建立內部電網還有另外一個原因——公共電網的峰值負荷電力非常昂貴,也就是說,建設內部電網是值得的。

    一套可設定(下圖)的復雜系統,能夠使企業內部電網穩定運行,有助于防止斷電和停電故障的發生。

    位于奧地利維也納的西門子能源自動化解決方案公司的電網自動化專家Michael Eckl認為,“工業企業必須考慮偶爾發生的斷電事故,而且老舊系統發生斷電事故的頻率更高。”Eckl對那些運行自有電廠的公司提出了寶貴建議。然而,這些工廠的電網通常會盲目擴張,并且終由新舊混合設備和安全技術設備構成。

    運行上述發電廠的公司都知道這一點,因此,這些公司制定了一系列旨在削減電力負荷的策略,即以一種有針對性的方式臨時關閉高能耗系統。這些系統包含并非*的機器設備、冷卻裝置與空調裝置、電動機、熔爐、壓縮機、泵機、照明系統等,其思路在于通過減少用電需求,解決電力供應短缺的問題。為此,工廠必須制備一份優先次序表,明確在特定環境條件下,哪些設備和機器將被關閉,以及在什么時間關閉。理想情況下,供電中斷后,工廠應在不到一秒的時間立即停止運行,從而將系統不穩定導致電網徹底崩潰的可能性降至低限度。

    以往,當一臺發電機發生故障時,調度中心的技術人員將決定甩掉哪些負荷,但是,這需要耗費太多時間,從而無法阻止災難性事故的發生。后來開發的自動簡易甩負系統,能夠依照事先設定的方案,自動關閉特定用電區域。但問題是甩掉的用電負荷要么太多、要么太少。結果,工廠運行減慢,或者需要進行人工調整。

    下一個重大進步涉及工業自動化系統,比如西門子的SIMATIC系統。目前,該系統的控制裝置可統計電能輸出量與需求量,并可依照預先制備的優先次序表自動甩掉部分負荷。其缺點在于該系統作為獨立的能源自動化裝置,有其自身的硬件、配線和維修要求,也就是說,它會增加系統的生命周期成本。

    未來生活。考慮到上述種種情況,Eckl的團隊開發出一套新的甩負系統(名為“網絡與能源自動化系統”)。它是一套針對石油、天然氣與鋼鐵行業而開發的解決方案,旨在解決電力生產與自動化控制彼此分離的問題。該系統將二者融為一體,共用一個減負與自動化信息通信網絡,從而節約時間和金錢。

    系統可為每一個負荷預先分配一個優先級。其控制裝置不僅可對發電過程與電能需求進行不間斷的監測,而且,舉例來說,當一臺發電機將在數秒鐘內關閉時,還可計算每過一秒需要甩掉哪些負荷。顯然,優先級較低的負荷將被首先甩掉。因此,該系統的軟件始終延時運行數秒鐘時間,以確保系統能夠在足夠短的時間內做出響應,從而防止電網失穩。

    此外,該系統只會在特定時刻準確甩掉為保持電網穩定性需要甩掉的負荷。Eckl指出:“該系統不會對每只燈泡進行調節。相反,它只會甩掉數百千瓦乃至更高的“大”負荷。一般情況下,這類負荷包括短時間停運不會影響工廠運行的輔助設備,譬如采暖和空調系統。”

    西門子系統的*之處在于,該系統將三種不同的方法融為一體。除上述基于功率的快速甩負方法外,該系統還使用基于頻率的傳統減負方法。后者在應當保持在50赫茲的交流頻率開始過度波動時使用。在多種錯誤同時發生——比如兩臺或多臺發電機發生故障——時,可能出現這種波動。在上述情況下,保護繼電器將切斷預先確定的備用負荷。問題在于采用這種方法甩掉的負荷要么太多、要么太少。因此,這種方法只能作為在萬不得已的情況下采取的下下之策。

    第三種甩負方法是啟用發電機備用容量,即在工廠需要時,馬上讓發電機輸出更多電能。這些電能由正在工作并為電網供電的發電機提供。在并網用電負荷增加時,這可防止發生供不應求問題。

    基于發電量和頻率的甩負方法如果要真正湊效,必須以閃電般的速度完成。為此,西門子公司研發人員非常信任GOOSE(面向通用對象的變電站事件),它是IEC 61850通訊標準的重要組成部分。這部自動化技術標準旨在保證能夠通過玻璃纖維光纜同時向所有用電系統發出警報。要求甩負的事件一旦確定,所有用電系統都將收到相關通知,而且都能依照警報發出之前計算得出的甩負計劃做出反應。相關信號多在70毫秒之內收到,速度之快足以在短時間內消除任何不穩定現象。

    完全獨立于公共電網,并且能夠提供自身所需的全部電能的獨立電網極為罕見。此外,幾乎所有擁有自備電廠和獨立電網的大型工廠,仍然接駁公共電網,目的是能從公共電網獲得更多電能,或將剩余電力輸送給公共電網。設計自動甩負系統的目的是確保內部電網的穩定性。內部電網可彌補公共電網的供電不足,或在公共電網由于用電需求太大導致價格太貴的情況下提供內部所需的電能。

    虛擬發電廠。是否應當從更廣泛的角度看待甩負技術和公共電網的關系,并將其與其他能源自動化技術相結合,是值得深入考慮的問題。一種方案是使用DEMS(西門子開發的分布式能源管理系統),該系統旨在優化虛擬發電廠——即將分布在不同地點的電廠以虛擬方式合為一體——的運行。Eckl及其同事正在開發一系列旨在提高經濟效率的解決方案,從而優化與引入、自發和輸出電力相關的成本。得出的結果可被用于制定內部發電機運行計劃。

    目前有兩家工廠——一家位于薩迪亞特島(阿拉伯聯合酋長國阿布杜比的一個旅游小島)、另一家是位于土耳其的煉油廠,已安裝采用快速GOOSE告警裝置的自動甩負系統,它們已成功通過相關試驗。由于GOOSE是一個性通信標準,這種甩負系統未來的應用前景相當光明,它們同時適合于現有電網與新建電網。Eckl表示:“越來越多的工業用戶需要更可靠的電力供應,因此,我們預計,未來會有更多客戶需要我們的系統。”

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